Im Februar 2024 setzte das EERL-Team seinen 64 m3 grossen Fesselballon, auch Helikite genannt, über Turtmann im Rahmen einer Testfeldkampagne ein. Ziel der Kampagne war es, das von der Gruppe im Laufe der Jahre erworbene technische und wissenschaftliche Wissen über den Einsatz von Fesselballonen an die neuen Gruppenmitglieder weiterzugeben. Insgesamt wurde der Ballon 13 Mal geflogen, und 21 Profile wurden für weitere Analysen gespeichert.
Abbildung 1 : Das EERL-Team bringt die Nutzlast mit den Instrumenten am Helikite an.
Während unserer Messungen in Turtmann hatten wir die Gelegenheit, die atmosphärische Partikelpopulation während/nach verschiedenen Wetterbedingungen zu messen. Neben sonnigen und regnerischen Tagen erlebten wir auch wechselnde Windrichtungen und relativ hohe Windgeschwindigkeiten (bis zu 12 m/s), was bei Helikite-Flügen eine grosse Herausforderung sein kann.
Abbildung 2 : Überblick über die stündlichen meteorologischen Daten, die von der Bodenwetterstation während des zweiten Teils der Testkampagne aufgezeichnet wurden. Die Helikite-Flüge sind durch die blau schattierten Bereiche gekennzeichnet. WS heisst Windgeschwindigkeit, WD Windrichtung, BP ist der barometrische Druck, RH die relative Feuchte und Air Temperature die Lufttemperatur.
Die erste Beobachtung, die wir gemacht haben, ist, dass Regen in der Nacht vor den Messungen zu deutlich niedrigeren Aerosolkonzentrationen für grössere Partikel (grösser 186 nm, genannt accumulation und coarse mode Partikel) führte. Dies ist auf die reinigende Wirkung des Regens, die Stabilisierung der Atmosphäre und die Verringerung der Aerosolquellen zurückzuführen.
Partikel zwischen etwa 70 bis 1000 nm, die als Wolkenkondensationskerne dienen, werden aktiviert und bilden Tröpfchen. Wenn sie schwer genug sind, beginnen die Tröpfchen zu fallen und fangen auf ihrem Weg nach unten weitere Aerosole ein und entfernen sie aus der Atmosphäre. Auch die Wahrscheinlichkeit, dass Staub und andere Partikel von nassen Oberflächen freigesetzt werden, ist geringer, was ebenfalls zur Verringerung der Aerosolwerte beiträgt.
Am 26. Februar wurden sehr niedrige Konzentrationen (<5 cm-3) von Partikel mit Durchmesser grösser 186 nm aufgezeichnet. Die in Abbildung 2 dargestellten stündlichen Daten der Bodenwetterstation deuten darauf hin, dass die niedrigen Aerosolkonzentrationen auf erhöhte Windgeschwindigkeiten während des Tages und der Nacht davor zurückzuführen sind, was zu einer Verdünnung der Aerosolpopulation führt.
An sonnigen Tagen, ohne zeitnahe Niederschlagsereignisse, wurden höhere Aerosolkonzentrationen gemessen.
Abbildung 3 : Überblick der Flugprofile, die während der Trainingskampagne in Turtmann aufgezeichnet wurden. Die Wettersymbole zeigen die meteorologischen Bedingungen in der Nacht (obere Reihe) und am Tag (untere Reihe) an und der Farbverlauf zeigt die Partikelkonzentration (grösser 186 nm, dies ist ca. 10 x kleiner als der Durchmesser eines Haares).
Die zweite Beobachtung, die wir gemacht haben, ist, dass die Konzentration dieser grösseren Partikel über die gesamte gemessene vertikale Säule gut vermischt zu sein scheint. Kleine Partikel (bis etwa 50 nm im Durchmesser) zeigen jedoch einen Unterschied in ihrer vertikalen Verteilung. Unterhalb von etwa 400 m Höhe ist die Konzentration der kleinen Partikel höher als darüber. Dies ist in Abbildung 4 gut sichtbar. Die Farbe der Schattierung zeigt an wie viele Partikel gemessen wurden. Je heller die Farbe, desto mehr Partikel wurden gemessen. Sobald der Fesselballon über etwa 400 m Höhe steigt, verdunkelt sich die Schattierung, was bedeutet, dass die Konzentration an kleinen Partikeln geringer ist.
Diese kleinen Partikel werden durch lokale Aktivitäten wie z. B. den Strassenverkehr oder diverse Industrien emittiert, die ständig neue kleine Partikel in die oberflächennahe Atmosphäre einbringen. Obwohl sich die Partikel nach der Emission in der vertikalen Säule verteilen, bleibt die in Bodennähe gemessene Konzentration daher höher als weiter oben.
Abbildung 4 : Beispiel eines Fluges vom 19.02.2024, wo höhere Konzentrationen kleiner Partikel nahe der Oberfläche (unter 400 m) gemessen wurden.
Insgesamt war die Kampagne ein Erfolg. Aus technischer, aber auch aus wissenschaftlicher Sicht hat das Team die notwendigen Fähigkeiten für die nächsten Messkampagnen erworben. Während der Flüge konnten auch neue Nutzlastimplementierungen getestet und verbessert werden, so dass sie als nächstes in Griechenland (Mt. Helmos) und in der Antarktis (Neumayer Station III) eingesetzt werden können.
Abbildung 5 : Ein paar Eindrücke von der Kampagne. Von links oben nach rechts unten: Installation der Bodenverankerungen, tägliches Entfernen der Schutzplane, Helikite in der Luft, Mittagspause, Blick auf das Turtmanntal, Versuch, die Bodenplane nach etwas Regen zu trocknen. (Fotos: Mitglieder des EERL-Teams)
English version:
Over February 2024, the EERL team deployed their 64m3 helikite above Turtmann during a test field campaign. The goal of the campaign was to transfer the technical and scientific helikite deployment knowledge acquired by the group over the years to the new group members. Overall, the balloon was flown 13 times and 21 profiles were kept for further analysis.
During our measurements in Turtmann, we had the opportunity to measure the atmospheric particle population during/after different weather conditions. Besides sunny and rainy days, we also experienced changing wind directions and relatively high wind speeds (up to 12 m/s), which can be quite challenging during helikite flights.
The first observation we made, is that rain during the night preceding measurements led to significantly lower aerosol concentrations for bigger particles (larger than 186 nm called accumulation and coarse mode particles). This is due to the scavenging effect of rain, atmospheric stabilization and reduced aerosol sources. The accumulation mode particles serving as cloud condensation nuclei are activated and form droplets. When heavy enough, the droplets start to fall and, on their way down, capture and remove further aerosols from the atmosphere. Dust and other particles are also less likely to be released from wet surfaces, which further contributes to the reduced aerosol levels. Very low particle concentrations (less than 5 cm-3) were recorded by the POPS on the 2024-02-26. The hourly weather station data represented in Figure 2, indicates that the low aerosol concentrations are due to increased wind speeds during the day and night before, leading to dilution of the aerosol population. On sunny days without close precipitation events, higher aerosol concentrations were measured for particles larger than 186 nm.
The second observation we made is that the concentration of these bigger particles seems to be well mixed over the entire measured vertical column. Small particles (up to around 50 nm) however are showing a difference in their vertical distribution. Below approximatively 400 m in altitude, the concentration of small particles is higher than above. This is clearly visible in Figure 4. The colour of the shading indicates how many particles were measured. The lighter the colour, the more particles were measured. As soon as the tethered balloon rises above about 400 metres, the shading darkens, which means that the concentration of small particles is lower.
Overall, the campaign was a success. From a technical but also scientific point of view, the team learned the necessary skills to go on their next respective measurement campaigns. During the flights, new payload implementations were also tested and improved so that they can be used next in Greece (Mt Helmos) and Antarctica (Neumayer Station III).